研究背景及意義
環(huán)氧樹脂(EP)具有非常優(yōu)異的綜合性能，是現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的熱固性樹脂之一。然而，EP的脆性大、呈現(xiàn)出不耐磨的缺點(diǎn)，使其在遭受摩擦和磨損狀況，尤其是滑動(dòng)干摩擦?xí)r，容易發(fā)生材料失效而導(dǎo)致產(chǎn)品損傷。
利用納米材料進(jìn)行改性，能夠顯著提高EP的摩擦學(xué)性能，但不同形貌和結(jié)構(gòu)的納米材料的功效也不盡相同，如棒狀納米材料能夠起到一定滾珠效應(yīng)，而二維層狀納米材料則主要促進(jìn)在摩擦表面性能致密的摩擦轉(zhuǎn)移層來提高材料的抗摩擦和磨損性能。為此，本研究設(shè)計(jì)合成了層狀硅酸鎳（Ni-PS）包裹碳納米管（CNT）制備了具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米雜化體CNT@Ni-PS，并引入EP制備納米復(fù)合材料，為EP產(chǎn)品的高性能改性提供了新思路。
(相關(guān)資料圖)
研究?jī)?nèi)容及主要結(jié)論
首先采用St?ber工藝制備了CNT表面負(fù)載大量SiO2納米球的雜化體（CNT@SiO2），進(jìn)而在水熱條件下使CNT@SiO2與Ni(II)離子反應(yīng)，在CNT表面原位形成大量Ni-PS納米片，得到CNT@Ni-PS納米雜化體，進(jìn)而將所得產(chǎn)物以不同的質(zhì)量百分比引入EP基體，制備了EP/CNT@Ni-PS復(fù)合材料（圖1）。在詳細(xì)表征CNT@Ni-PS的基礎(chǔ)上，討論了復(fù)合體系的構(gòu)效關(guān)系，主要研究了CNT@Ni-PS的引入對(duì)EP/CNT@Ni-PS復(fù)合材料的摩擦性能、固化特性和熱穩(wěn)定性的影響規(guī)律。主要得到了以下結(jié)論：
（1）XRD、SEM、TEM和XPS等分析證實(shí)了CNT表面形成了大量的Ni-PS納米片，得到了CNT@Ni-PS納米雜化體（圖2）。FT-IR進(jìn)一步證實(shí)了合成產(chǎn)物，TGA顯示了CNT@Ni-PS在空氣中具有良好的熱穩(wěn)定性（圖3）；
（2）CNT@Ni-PS能夠在復(fù)合體系中分散良好（圖4），能明顯改善EP/CNT@Ni-PS復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。在添加量為3%時(shí)，其平均摩擦系數(shù)和磨損量最低，分別為0.361和3.68*10-5mm3/N·m，相較純EP分別下降了21.4%和47.6%（圖5）；
（3）DSC測(cè)試顯示，CNT@Ni-PS的引入促進(jìn)了EP的固化（圖6），降低了環(huán)氧-胺體系的固化活化能（圖7）。TGA/DTG分析表明，在空氣氣氛中，CNT@Ni-PS能夠在一定程度上提高EP/CNT@Ni-PS復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性（圖8）。
圖1 EP復(fù)合材料的制備過程示意圖
圖2 CNT、Ni-PS和CNT@Ni-PS的XRD圖譜(a)，CNT(b)、CNT@SiO2(c)和CNT@Ni-PS(d)的SEM照片，CNT@Ni-PS的TEM照片(e)以及XPS譜圖(f)
圖3CNT、CNT@SiO2和CNT@Ni-PS的FT-IR圖(a)和TGA熱譜圖(b)
圖4CNT@Ni-PS在EP基體中的分布和分散狀況：(a)0%, (b) 1%, (c) 3%, (d) 5%和(e) 7%
圖5EP/CNT@Ni-PS復(fù)合材料的滑動(dòng)干摩擦學(xué)性能（環(huán)塊式、12kg、1h）
圖6EP/CNT@Ni-PS復(fù)合材料的固化特性
圖7EP/CNT@Ni-PS復(fù)合材料的固化活化能擬合（Kissinger法）
圖8EP/CNT@Ni-PS復(fù)合材料在空氣氣氛中的熱穩(wěn)定性
研究亮點(diǎn)
采用經(jīng)典的St?ber方法與水熱法相結(jié)合制備了CNT@Ni-PS納米雜化體，利用長(zhǎng)徑比大的CNT與二維片層結(jié)構(gòu)的Ni-PS相結(jié)合，明顯提高了EP/CNT@Ni-PS復(fù)合材料的摩擦性能，實(shí)現(xiàn)了材料的同時(shí)減摩和耐磨改性；同時(shí)還能促進(jìn)環(huán)氧-胺體系的固化，降低固化反應(yīng)活化能，提高了耐熱性。
相關(guān)成果以“Synthesis of hierarchical nanohybrid CNT@Ni-PS and its applications in enhancing the tribological, curing and thermal properties of epoxy nanocomposites”為題，已發(fā)表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上（DOI:10.1007/s11705-020-2007-9）。
作者和團(tuán)隊(duì)介紹
楊繼年（通訊作者），安徽理工大學(xué)材料學(xué)院教授，主要從事層狀納米材料和聚合物摩擦材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，旨在探究復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，開發(fā)低成本、高附加值填充改性劑；以第一作者和通訊作者在國(guó)內(nèi)外發(fā)表SCI/EI收錄論文30余篇，擔(dān)任ACS Appl. Mater. Interfaces、Cellulose、J.Polym. Environ.、Polym. Compost.等10余種學(xué)術(shù)期刊審稿人。
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